《Nature》研究成果：可穿戴光聲纖維鏡實(shí)時(shí)成像自由活動(dòng)小鼠腦血氧
這項(xiàng)突破性研究由美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校Yong Xu團(tuán)隊(duì)完成，成果發(fā)表于《Nature Communications》期刊，論文題為《A Wearable Photoacoustic Fiberscope for Cerebral Hemodynamics Imaging in Freely Moving Mice》。研究團(tuán)隊(duì)耗時(shí)多年，通過光纖傳感器的微型化設(shè)計(jì)和MEMS掃描技術(shù)的優(yōu)化，將原本龐大的光聲顯微鏡“濃縮”成僅4.5克的頭戴式探頭，成功攻克了自由活動(dòng)動(dòng)物成像的難題。這一成果不僅被《自然》系列期刊列為年度亮點(diǎn)，更被國際同行評(píng)價(jià)為“重新定義了腦氧合成像的可能性”。
重要發(fā)現(xiàn)
01自由活動(dòng)狀態(tài)下的腦氧合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
傳統(tǒng)腦成像技術(shù)（如雙光子顯微鏡）依賴熒光標(biāo)記且需固定動(dòng)物頭部，無法反映真實(shí)生理狀態(tài)。光聲纖維鏡則通過雙波長激光激發(fā)（532nm和558nm）和光纖超聲傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)清醒小鼠大腦的連續(xù)成像。實(shí)驗(yàn)中，研究人員觀察到：當(dāng)小鼠從麻醉狀態(tài)蘇醒并自由活動(dòng)時(shí)，靜脈血氧飽和度顯著下降，這與腦耗氧量增加直接相關(guān)。更令人驚嘆的是，該技術(shù)能捕捉到單個(gè)血管對(duì)高濃度CO2刺激的響應(yīng)差異——動(dòng)脈sO2上升、靜脈sO2下降，這種精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)變化為理解神經(jīng)血管耦合機(jī)制提供了直接證據(jù)。
在肥胖小鼠模型中，光聲纖維鏡發(fā)現(xiàn)其腦血管對(duì)缺氧刺激的反應(yīng)明顯減弱：血管直徑變化幅度僅為健康小鼠的60%，血氧飽和度波動(dòng)范圍縮小30%。這一現(xiàn)象表明，肥胖可能通過損害血管內(nèi)皮功能，導(dǎo)致腦血管自我調(diào)節(jié)能力下降。此外，研究還對(duì)比了麻醉與自由活動(dòng)狀態(tài)下小鼠的腦氧合響應(yīng)差異——麻醉劑異氟烷會(huì)擴(kuò)張血管、增加血流量，但同時(shí)也會(huì)掩蓋部分病理信號(hào)，提示傳統(tǒng)麻醉實(shí)驗(yàn)可能存在局限性。
03單血管分辨率的突破
光聲纖維鏡的橫向分辨率高達(dá)9μm，足以分辨毛細(xì)血管級(jí)別的結(jié)構(gòu)。通過光柵掃描技術(shù)（1.2mm×1.2mm視場(chǎng)），研究人員首次觀察到小鼠腦皮層中動(dòng)脈與靜脈的氧合差異：動(dòng)脈sO2約為90%，靜脈則降至60%，這與理論值高度吻合。這種“血管級(jí)”的精準(zhǔn)成像能力，為研究局部腦區(qū)的代謝活動(dòng)提供了前所未有的細(xì)節(jié)。
創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01從臺(tái)式設(shè)備到可穿戴探頭的革命性跨越
傳統(tǒng)光聲顯微鏡體積龐大，需固定動(dòng)物頭部，而光聲纖維鏡通過光纖激光器的聲光調(diào)制技術(shù)和MEMS微機(jī)電掃描器，將整個(gè)成像系統(tǒng)壓縮至4.5克，僅相當(dāng)于小鼠體重的5%。其頭戴式設(shè)計(jì)借助永磁體與小鼠顱骨固定，光纖采用抗纏繞材料，確保小鼠在自由活動(dòng)時(shí)仍能保持穩(wěn)定成像。這一突破徹底解決了傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)動(dòng)物行為的限制，使長期動(dòng)態(tài)研究成為可能。
與依賴熒光標(biāo)記的技術(shù)（如雙光子顯微鏡）不同，光聲纖維鏡利用血紅蛋白對(duì)激光的內(nèi)源性吸收特性，直接實(shí)現(xiàn)血氧飽和度的量化。這意味著無需對(duì)動(dòng)物進(jìn)行復(fù)雜的基因改造或注射外源性造影劑，既簡化了實(shí)驗(yàn)流程，又避免了標(biāo)記物對(duì)生理狀態(tài)的干擾。例如，在缺氧實(shí)驗(yàn)中，研究人員無需額外標(biāo)記即可實(shí)時(shí)觀察到血紅蛋白氧合狀態(tài)的變化，大大提高了數(shù)據(jù)的真實(shí)性。
03多參數(shù)融合的功能成像
除血氧飽和度外，光聲纖維鏡還能同步測(cè)量血紅蛋白濃度、血管直徑和氧攝取分?jǐn)?shù)（OEF）等參數(shù)。通過雙波長光聲信號(hào)解算算法，系統(tǒng)可精確區(qū)分氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的貢獻(xiàn)，進(jìn)而計(jì)算出OEF——這一反映組織氧代謝效率的關(guān)鍵指標(biāo)。這種“一站式”功能成像能力，為揭示腦功能與代謝的關(guān)系提供了多維數(shù)據(jù)支持。
總結(jié)與展望
光聲纖維鏡的誕生標(biāo)志著腦成像技術(shù)從“靜態(tài)觀察”向“動(dòng)態(tài)解析”的重大轉(zhuǎn)變。其可穿戴性、高分辨率和多參數(shù)測(cè)量能力，不僅為自由活動(dòng)動(dòng)物模型的研究提供了理想工具，也為人類腦疾病（如中風(fēng)、阿爾茨海默病）的病理機(jī)制探索開辟了新方向。未來，該技術(shù)有望與其他成像模態(tài)（如雙光子顯微鏡）結(jié)合，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)活動(dòng)與血管功能的同步觀測(cè)；同時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化探頭靈敏度和成像速度，可拓展至更深層腦組織或更復(fù)雜行為范式的研究。
從基礎(chǔ)科研到臨床轉(zhuǎn)化，光聲纖維鏡的應(yīng)用前景廣闊。例如，在急重癥醫(yī)學(xué)中，它可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者腦氧合狀態(tài)，指導(dǎo)精準(zhǔn)治療；在藥物研發(fā)中，它能評(píng)估候選藥物對(duì)腦血管的作用效果。隨著技術(shù)的不斷迭代，我們有理由相信，光聲纖維鏡將成為解開大腦奧秘的“金鑰匙”，推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的跨越式發(fā)展。
論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Zhong X, Liang Y, Wang X, Lan H, Bai X, Jin L, Guan BO. Free-moving-state microscopic imaging of cerebral oxygenation and hemodynamics with a photoacoustic fiberscope. Light Sci Appl.
DOI:10.1038/s41377-023-01348-3.
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